| CATEGORII DOCUMENTE |
| Astronomie | Biofizica | Biologie | Botanica | Carti | Chimie | Copii |
| Educatie civica | Fabule ghicitori | Fizica | Gramatica | Joc | Literatura romana | Logica |
| Matematica | Poezii | Psihologie psihiatrie | Sociologie |
Legaturi chimice intramoleculare
Legatura ionica
Teoria electronica a valentei subliniaza realizarea unei configuratii electronice stabile a stratului de valenta (dublet sau octet), prin intermediul legaturilor chimice intre atomi.
Atomii elementelor sunt mai stabili daca au stratul electronic exterior complet ocupat cu electroni. Cu exceptia hidrogenului si heliului (care au in stratul electronic exterior maximum doi electroni) un strat electronic complet ocupat contine opt electroni adica un octet. Elementele din grupele 1(IA) si 2(IIA), mai reactive, pierd usor unul respectiv doi electroni in timp ce elementele grupelor 17(VIIA) si 16(VIA) castiga unul, respectiv doi electroni realizand configuratii stabile de octet. In urma transferului de electroni de la un element electropozitiv reactiv la un element electronegativ iau nastere ioni de semn contrar, care se atrag prin forte electrostatice (conform legii lui Coulomb), pana la distanta minima permisa de repulsiile intre invelisurile lor electronice.
In general, procesele de formare a ionilor pozitivi si negativi nu sunt independente ci au loc simultan in timpul procesului de formare a legaturilor ionice. Ionii participanti la legatura ionica pot fi monoatomici (formati din atomi de un singur tip) sau poliatomici (HO-,NO3-, SO42- etc.).
La formarea legaturilor ionice sunt implicate, in mod tipic, un metal si un nemetal. Spre exemplu, sodiul metalic reactioneaza energic cu clorul in stare gazoasa si, in urma unei reactieii exoterme, conduce la obtinerea clorurii de sodiu, combinatie ionica:
In cazul combinatiilor ionice nu se formeaza molecule, ci retele ionice tridimensionale, datorita atractiei electrostatice dintre ioni, forte fizice nedirijate in spatiu, care determina ansamblul sa adopte o dispozitie regulata corespunzatoare retelei cristaline. Ionii se afla in nodurile retelei cristaline si fiecare ion tinde sa se inconjoare cu un numar maxim de ioni de semn opus. Formulele brute atribuite combinatiilor ionice (NaCl, NaF, CaCl2 etc) nu reprezinta compozitia adevarata a substantei, ci raportul de combinare a ionilor constitutivi.
Legatura ionica nu este dirijata in spatiu si nu este rigida, permitand, pe de o parte, dizolvarea compusilor ionici in solventi polari si, pe de alta parte, inlocuirea usoara a ionilor din retea cu alti ioni.
Combinatiile ionice tipice sunt sarurile (LiF, LiI, NaF, NaCl, NaI, KF, KBr, KCl, KI, SrCl2), unii oxizi bazici (Na2O, K2O, CaO, MgO) si unele baze (NaOH, KOH, Ca(OH)2.
Legatura covalenta
Legatura covalenta este legatura care se realizeaza intre atomii elementelor identice sau putin diferite din punct de vedere al caracterului electrochimic. Ea rezulta prin punerea in comun a unui acelasi numar de electroni necuplati de catre fiecare dintre cei doi participanti la legatura, conducand la formarea de molecule sau retele atomice. Perechea de electroni de legatura se numeste pereche de electroni participanti. Ambii atomi participanti realizeaza o configuratie electronica stabila, deoarece dubletele de electroni rezultate le apartin in egala masura, deplasandu-se pe orbite care cuprind amandoua nucleele. Astfel, doi atomi de hidrogen pot pune in comun electronii necuplati, conducand la formarea moleculei de hidrogen in care densitatea de electroni este concentrata intre cei doi nuclei
In procesul de unire orbitalii atomici se intrepatrund dand nastere unui orbital molecular de legatura.
Punerea in comun a unei perechi de electroni conduce la formarea unei singure legaturi covalente, denumita in mod obisnuit legatura simpla. Structura stabila de octet se poate realiza si prin participarea mai multor electroni necuplati. In aceste cazuri, se formeaza doua sau trei covalente adica legaturi duble sau triple.
Perechea de electroni participanti nu apartine intotdeauna in egala masura celor doi atomi ai moleculei rezultate. In functie de natura atomilor participanti, legatura covalenta poate fi nepolara, polara sau coordinativa.
Legatura covalenta nepolara se caracterizeaza prin aceea ca atomii participanti la realizarea legaturii sunt de acelasi fel, motiv pentru care perechea de electroni de legatura apartine in egala masura ambilor atomi. Norul electronic este distribuit simetric intre cele doua nuclee. Se formeaza molecule nepolare, cum ar fi moleculele diatomice (H2, Cl2 etc.) sau moleculele care prezinta simetrie geometrica (CH4, CCl4, CO2 etc.)
+
H2 + Cl2 → 2H - Cl
Legatura covalenta coordinativa sau semiionica se realizeaza printr-o pereche de electroni neparticipanti ai unuia dintre atomii participanti la legatura (atom donor). Aceasta pereche de electroni este pusa in comun cu un alt atom care este deficitar in electroni (atom acceptor). Se realizeaza astfel coordinarea unei perechi de electroni neparticipanti a unui atom sau a unei molecule la un orbital vacant al altui atom.
Exista compusi chimici in care nu este respectata regula octetului. In aceasta idee exista trei tipuri de exceptii:
specii moleculare cu mai mult de opt electroni in jurul unui atom (elementele din perioada a treia si mai departe la care sunt implicati in realizarea legaturilor chimice si electroni de pe orbitalii d).;
specii moleculare cu mai putin de opt electroni in jurul unui atom (compusi care sunt in general foarte reactivi);
specii moleculare cu un numar total de electroni de valenta impar (specii moleculare, care contin unul sau mai multi electroni neimperecheati extrem de reactivi).
Teoria electronica a covalentei nu poate explica existenta acestor specii moleculare cu deficit sau excedent de electroni care, desi nu realizeaza structura electronica de octet, sunt totusi combinatii stabile. De asemenea, nu poate da explicatii satisfacatoare pentru tipurile de covalente si proprietatile substantelor cu legatura covalenta.
O interpretare cantitativa a legaturii covalente realizeaza teoria mecanic cuantica, teorie care elucideaza natura fizica a legaturii, explicand saturatia reciproca si simultana a covalentei si orientarea sa in spatiu.
Dezvoltarea teoretica a legaturii covalente dintre atomi se bazeaza pe metode de aproximare, dintre care doua sunt mai importante, metoda legaturii de valenta (MLV) si metoda orbitalilor moleculari (MOM). Ambele metode se bazeaza pe combinarea liniara a functiilor de unda ale orbitalilor atomici care, inmultite cu anumiti coeficienti, conduc la obtinerea functiei de unda a orbitalilor moleculari.
Metoda legaturii de valenta considera legatura covalenta ca rezultat al suprapunerii orbitalilor atomici nedeformati. La realizarea acestei legaturi, cei doi atomi participa cu numar egal de electroni, rezultand perechi de electroni cu spin antiparalel. Numarul de covalente posibile pentru un atom este egal cu numarul cuplarilor pe care le poate realiza pana la obtinerea unei configuratii electronice stabile.
In cazul apropierii a doi atomi cu electroni neimperecheati, daca electronii au spini paraleli, se manifesta forte de respingere electrostatica, iar daca spinii sunt antiparaleli, orbitalii atomici se acopera reciproc pe o suprafata limitata de respingerile electrostatice. Orbitalul comun care rezulta este orbitalul molecular cu doi electroni cu spin opus ce apartine ambilor atomi.
In cazul combinarii a doi atomi izolati de hidrogen, spre exemplu, se realizeaza suprapunerea maxima a orbitalilor atomici 1s in spatiul internuclear rezultand molecula de hidrogen, starea cu cea mai scazuta energie si, ca urmare, cea mai stabila structura (figura ).
Fig. nr. Reprezentarea schematica a formarii orbitalului molecular de hidrogen
In functie de modul de suprapunere a orbitalilor atomici participanti la realizarea covalentei, deosebim legatura covalenta σ si legatura covalenta π.
Legatura covalenta σ este legatura care se stabileste intre electroni ce intra in rezonanta de-a lungul axei de legatura. Electronii care realizeaza aceasta legatura se numesc electroni σ.
Dupa tipul de orbitali participanti la realizarea legaturii σ, exista mai multe tipuri de covalente: covalenta σss (suprapunerea a doi orbitali atomici de tip s); covalenta σsp (suprapunerea unui orbital atomic s cu un lob al unui orbital atomic p) covalenta σpp (suprapunerea a doi orbitali atomici p prin cate un lob); covalenta σpd (suprapunerea unui orbital atomic p cu un orbital atomic d prin cate un lob).
Legatura σ este cea mai stabila legatura covalenta. Covalentele σ au simetrie cilindrica si nu sunt intretaiate de nici un plan nodal. Legaturile σ sunt legaturi de baza intr-o molecula, determinand configuratia acesteia.
Legatura covalenta π se realizeaza in cazul in care, dupa formarea legaturii σ, la ambii atomi participanti la legatura raman electroni necuplati. Aceasta legatura rezulta din suprapunerea orbitalilor p, d sau f prin cate doi lobi dand nastere legaturilor duble sau triple. In cazul moleculei de azot, de exemplu, legarea atomilor se realizeaza printr-o covalenta σ, rezultata din suprapunerea orbitalilor 2px, si doua covalente rezultate din suprapunerea orbitalilor 2py si 2pz (figura 4.2.).
Fig. nr. 4.2. Reprezentare schematica a covalentei σpd
Covalenta π este intretaiata de planul nodal al legaturii σ pe care este perpendiculara. Legatura π are o energie mai mare decat legatura σ, dar prezenta sa nu determina forma spatiala a moleculei, care este data de oriantarea covalentelor σ. Legatura π reduce distantele interatomice, mareste unghiul de valenta si, ca urmare, conduce la cresterea rigiditatii moleculei.
Exista cazuri in care, orientarea spatiala a covalentelor din molecule nu corespunde cu orientarea spatiala a orbitalilor atomilor componenti. De asemenea, s-a constatat ca unele elemente (Be, B, C) formeaza mai multe covalente decat numarul de electroni necuplati din stratul lor de valenta. Astfel de comportari au fost explicate de Pauling care a demonstrat ca functiile de unda ale electronilor in orbitalii unui atom pot fi combinate matematic, utilizand ecuatiile de unda (Pauling, 1931). Din aceasta combinatie rezulta seturi echivalente de functii de unda Schrdinger, care se numesc orbitali atomici hibrizi. Pauling a propus modelul hibridizarii orbitalilor atomici.
Hibridizarea este procesul de combinare liniara a orbitalilor atomici puri din stratul exterior, proces in urma caruia rezulta orbitali hibrizi, modificati din punct de vedere al formei, al starii energetice si distributiei spatiale. Hibridizarea are loc in momentul formarii legaturilor chimice, cand atomii trec intr-o stare excitata (stare de valenta). Ca rezultat al hibridizarii, molecula devine mai stabila, deoarece aranjamentul spatial al perechilor de electroni de legatura in orbitalii de valenta se realizeaza in asa fel incat repulsiile care se manifesta intre electroni sunt minime. Exista un numar limitat de tipuri de hibridizare.
Hibridizarea digonala (sp) se intalneste la elemente din perioada 2, in compusi de tipul BeH2, BeCl2, CO2, CS2, N2O, HCN. Elementele din perioada a doua au volum mic, putand realiza o intrepatrundere accentuata a orbitalilor atomici.
Hibridizarea sp se realizeaza prin combinarea unui orbital s cu un orbital p, avand drept rezultat doi orbitali hibrizi sp de energii egale, intermediare ca valoare fata de energiile orbitalilor atomici participanti. Densitatea norului electronic este simetric distribuita. Daca luam in considerare exemplul atomului de beriliu orbitalii hibrizi rezultati au simetrie digonala, orientare liniara si formeaza intre ei un unghi de 180o (figura 4.3.).
A B
Fig. nr. 4.3. Reprezentare schematica a beriliului in stare fundamentala (A) si in stare hibridizata sp (B)
Hibridizarea trigonala (sp2) se realizeaza prin combinarea unui orbital s cu doi orbitali p, rezultand trei orbitali hibrizi sp2. In cazul borului hibridizarea conduce la obtinerea a trei orbitali hibrizi sp2, cu aceeasi forma, cu energii egale si simetrie trigonala,. Unghiurile dintre orbitalii hibrizi sunt de 120o (figura 4.4.).
hibridizare
A B
Fig. nr. 4.4. Reprezentare schematica a borului in stare fundamentala (A) si in stare hibridizata sp (B)
Hibridizarea tetraedrica (sp3) este cel mai cunoscut tip de hibridizare si este caracteristic atomului de carbon. Atomul de carbon in stare fundamentala are configuratia electronica a ultimului strat 2s22p2. Ca urmare, ar trebui sa functioneze ca element divalent, combinatiile de acest tip fiind putine (CO, CS). Experimental, s-a dovedit configuratia tetraedrica a atomului de carbon.Electronii de pe orbitalul s se decupleaza, unul dintre ei promovand pe orbitalul p, datorita diferentei mici de energie dintre orbitalii s si p. Cei 4 orbitali rezultati, fiecare cu cate un electron se amesteca intre ei formand 4 orbitali hibrizi, egali din punct de vedere energetic, orientati spre varfurile unui tetraedru regulat. Unghiurile dintre orbitalii hibrizi sp3 sunt de 109o28' (figura 4.5.).
hibridizare
A B
Fig. nr. 4.5. Reprezentare schematica a carbonului in stare fundamentala (A) si in stare hibridizata sp (B)
Metoda orbitalilor moleculari considera edificiul molecular ca un tot unitar. Nucleele atomice formeaza scheletul moleculei, in timp ce electronii aflati in campul electric nuclear se repartizeaza in orbitalii moleculari pe niveluri energetice succesive existente sau aparute odata cu formarea moleculei. La combinarea orbitalilor atomici se produc trei tipuri de orbitali moleculari:
orbitali de legatura σ sau π, cu energii diminuate comparativ cu orbitalii atomici puri si densitate electronica suprapusa;
orbitali de antilegatura σ* sau π*, cu energii superioare orbitalilor atomici puri si densitate electronica nesuprapusa;
orbitali de nelegatura, in care se afla perechi de electroni neimplicati in legatura chimica.
Electronii nu mai sunt localizati la o legatura sau alta, ci sunt delocalizati, apartin edificiului molecular in intregul lui. Electronii se diferentiaza intre ei din punct de vedere energetic in:
electroni de legatura (lianti), a caror energie se diminueaza la formarea legaturii;
electroni de antilegatura (antilianti), a caror energie creste la formarea moleculei;
electroni de nelegatura (nelianti), care nu isi modifica energia la formarea moleculei (acestia sunt electronii straturilor inferioare).
Calcule matematice arata ca o covalenta se realizeaza prin combinarea a doi orbitali atomici (de aceeasi simetrie), rezultand doi orbitali moleculari, unul mai sarac in energie, ca urmare mai stabil (orbital molecular de legatura) si altul mai bogat in energie, mai putin stabil (orbital de antilegatura). Generalizand, putem spune ca prin combinarea liniara a n orbitali atomici se formeaza n orbitali moleculari, din care jumatate sunt orbitali moleculari de legatura si jumatate orbitali moleculari de antilegatura.
Completarea cu electroni a orbitalilor moleculari se face cu respectarea regulilor si principiilor de completare cu electroni a orbitalilor atomici si incepe cu orbitalul de legatura, care se ocupa cu maximum doi electroni cu spin opusi continuand cu cel de antilegatura.
In conditiile in care pentru formarea unei molecule interactioneaza orbitali atomici din subnivelul p, apar doua tipuri de orbitali moleculari, orbitali σ (de legatura si de antilegatura) si orbitali π (de legatura si de antilegatura). Metoda orbitalilor moleculari se deosebeste de metoda legaturii de valenta prin aceea ca nu conditioneaza formarea legaturilor chimice de prezenta unei perechi de electroni cuplati, deoarece un orbital molecular poate fi ocupat si de un singur electron.
In conformitate cu metoda orbitalilor moleculari, o molecula este stabila daca numarul perechilor de electroni din orbitalii moleculari de legatura este mai mare decat numarul perechilor de electroni din orbitalii moleculari de antilegatura.
Privita prin prisma caracteristicilor sale, legatura covalenta este o legatura puternica, saturata, rigida, orientata in spatiu, putandu-se forma in numar nelimitat. Legatura covalenta este caracteristica anumitor substante anorganice si compusilor organici.
Legatura metalica
Metalele, cele mai electronegative elemente din tabelul periodic, au o tendinta puternica de a ceda electronii de valenta pentru a forma ioni pozitivi. Electronii din stratul exterior se afla la distante egale de nuclee, sunt slab atrasi de catre acestea si se misca liber printre si in jurul cationilor metalici. Electronii de valenta sunt descrisi adesea ca electroni delocalizati (nu au o pozitie fixa) si formeaza asa numitul gaz electronic. Existenta particulelor incarcate diferit din punct de vedere electric determina aparitia unor forte electrostatice de atractie intre ionii pozitivi si electronii delocalizati, ceea ce conduce la o structura cristalina stabila, denumita legatura metalica.
Modelul mecanismului legaturii metalice, care tinde sa fie acceptat si aplicat de majoritatea cercetatorilor, este cel descris de metoda orbitalilor moleculari, denumita si teoria benzilor de energie. Aceasta teorie considera legatura metalica drept o legatura covalenta puternic delocalizata in campul tuturor nucleelor. Orbitalii moleculari formeaza benzi de energie.
La atomul izolat de sodiu, spre exemplu, a carui structura electronica este Na: 1s22s22p63s1, orbitalii atomici se transforma in totalitate in orbitali moleculari de legatura si orbitali moleculari de antilegatura neintrepatrunsi. In cazul unui cristal de sodiu, electronii orbitalilor 1s2s2p sunt localizati la fiecare atom in orbitali de legatura si antilegatura, iar electronii din orbitalul 3s exista intr-o banda superioara numita banda de energie (figura 4.6.). Aceasta banda se imparte, la rindul ei, in banda de valenta (cuprinde electronii 3s dispusi in orbitali moleculari de legatura) si banda de conductie (cuprinde orbitalii moleculari de antilegatura), banda care de obicei este libera.
Fig. nr. 4.6. Diagrama benzilor de energie intr-un cristal de sodiu (1 - banda de valenta; 2 - banda de conductie;
3 - banda de energie)
La aplicarea unei diferente de potential sau la incalzire, electronii pot trece din banda de valenta in banda de conductie. Prin aceasta comportare se explica conductibilitatea electrica si termica a metalelor. Legatura metalica nu este orientata in spatiu, ceea ce explica proprietatea metalelor de a adopta structuri foarte compacte, nu este localizata sau saturata. Taria acestei legaturi de tip special ce se stabileste intre atomii unui metal in reteaua cristalina a acestuia depinde de natura metalului.
Prezenta electronilor mobili comuni ai retelei metalice care reflecta lumina explica proprietati precum opacitatea si luciul metalic.
|
Politica de confidentialitate | Termeni si conditii de utilizare |
Vizualizari: 3706
Importanta: 
Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2024 . All rights reserved
